Dopo la seconda guerra mondiale, la scienza ed in particolare le scienze biomediche si espandono ad una velocità impressionante e su una scala istituzionale ed economica in crescita continua. Il numero di scienziati aumenta rapidamente, come aumentano i costi delle apparecchiature e dei materiali di laboratorio. L'era della scienza romantica è finita e gli ideali della ricerca scientifica passano dall'impresa individuale legata ai sogni e ai progetti dei singoli ad uno sforzo collettivo su grande scala.

La Stazione rimane un punto di riferimento a livello internazionale, e "l'esperienza napoletana" continua a convincere scienziati brillanti ad andare alla Stazione. Questo è vero soprattutto per la biologia italiana e per l'Università di Napoli; la Stazione Zoologica per molti dei ricercatori italiani costituisce il modo per entrare in contatto con la ricerca biologica di punta, grazie alla presenza a Napoli di ricercatori ospiti e alla straordinaria biblioteca. Il carattere internazionale della istituzione viene mantenuto tramite progetti di collaborazione scientifica, in primo luogo con il Marine Biological Laboratory di Woods Hole e i laboratori inglesi di biologia marina.

Tuttavia, il sistema dei "tavoli" porta necessariamente alla frammentazione dei programmi e alla dispendiosa dispersione delle apparecchiature sperimentali, dato che ogni ricercatore arriva con il proprio progetto e cerca a Napoli le migliori condizioni per realizzarlo. Questo produce una larga eterogeneità dei programmi di ricerca, che dipendono dagli scienziati che occupano i diversi tavoli messi a disposizione dei governi, senza alcuna continuità che potesse ammortizzare gli importanti investimenti resi necessari dal nuovo tipo di ricerca biologica. Una certa eterogeneità esisteva anche in precedenza, ma essa aumenta ancora nel secondo dopoguerra, seguendo la moltiplicazione delle linee di ricerca della biologia, che sta diventando la scienza leader a livello mondiale. Questo produce una difficile crisi finanziaria.

Ci si rende conto che la Stazione Zoologica ha bisogno di una nuova struttura istituzionale e amministrativa, in modo da garantirsi una base finanziaria solida e permanente. Per circa un secolo il governo italiano aveva continuato a riconoscere il carattere unico della Stazione, un istituto privato in un quadro internazionale, ma nel nuovo contesto della scienza, questa situazione non è ulteriormente sostenibile. Nel 1967 il Governo italiano affida la gestione dell'Istituto a commissari straordinari.

Con l'ingresso in guerra dell'Italia, Rinaldo Dohrn, figlio di Anton e all'epoca Direttore della Stazione, e gli assistenti tedeschi devono lasciare il paese. La Stazione, in quanto ente privato appartenente ad un cittadino tedesco, viene posta sotto controllo nazionale. Nel 1916 la Stazione viene solennemente inaugurata come un "Istituto Italiano" e posto sotto la direzione di un comitato nazionale.
Alla fine della guerra, dopo un periodo di incertezza in un discorso al Senato, il 9 dicembre 1920, Benedetto Croce, allora Ministro della Pubblica Istruzione, propone che la Stazione Zoologica torni ad essere affidata alla famiglia Dohrn, il solo modo secondo il filosofo napoletano per restituire alla istituzione i suoi legami scientifici e la sua funzionalità organizzativa. Nell'ottobre del 1923 viene ridefinito lo status giuridico della Stazione Zoologica, che diventa un "Ente Morale", posto sotto il controllo del Ministero della Pubblica Istruzione e diretto da un Consiglio di Amministrazione, presieduto dal Sindaco di Napoli. Rinaldo Dohrn ottiene la nomina di "Consigliere delegato" ed amministratore.

La nuova struttura istituzionale mantiene lo status di internazionalità della Stazione, favorendo i contatti con ricercatori di tutti i paesi e la loro presenza a Napoli, grazie ad una totale libertà nella ricerca e una struttura tecnica efficace, capace di creare condizioni di lavoro ideali e fornire tutto il materiale di ricerca necessario.

Le attività scientifiche della Stazione nel periodo fra le due guerre mondiali mostrano una grande continuità con il periodo precedente. La sistematica rimane una priorità. La fisiologia dell'embrione, la rigenerazione, la ricerca delle componenti biochimiche negli organismi marini e le loro variazioni quantitative durante lo sviluppo embrionale, lo studio dei gradienti embrionali, le ricerche sulla bioluminescenza e sulla fotogenesi, sulla simbiosi ereditaria continuano ad essere i punti di aggregazione principali, mentre la ricchezza del Golfo di Napoli, con la sua flora e la diversità di animali sia superficiali che abissali, sollecita lo sviluppo di una impostazione ecologica, centrata sulle catene alimentari, sui complessi di organismi, in relazione con l'ambiente biologico e chimico-fisico. E come nei periodi precedenti, la Stazione è sede di sperimentazione di nuove tecnologie applicate alla ricerca, come l'uso di pellicole cinematografiche per lo studio della embriologia sperimentale, le prime esperienze di cinematografia scientifica (Istituto Luce) e la ricerca finanziata dalla casa Kodak per l'utilizzazione di gelatine di origine animale nelle pellicole fotografiche.
Ancora una volta, tuttavia, la spinta principale alla innovazione scientifica viene dalla embriologia. Il momento di svolta in questo tipo di ricerche può essere individuato in un classico articolo del 1924 in cui Hans Spemann e Hilde Mangold avevano cominciato a studiare i processi morfogenetici che portano alla formazione dell'occhio negli anfibi. Questo programma di ricerca si sviluppa ulteriormente negli anni successivi, attraverso una serie molto complessa di esperimenti di trapianti di tessuti, molti dei quali vengono realizzati a Napoli, dove Spemann si reca spesso, seguito da un folto gruppo di assistenti.

Negli anni '20 e '30 la ricerca fisiologica e biochimica continua a svolgere un ruolo importante nella vita scientifica della Stazione. Albrecht Kossel e The Svedberg, fondatori della chimica degli acidi nucleici, lavorano egualmente alla Stazione Zoologica, come Jean Brachet, che in questo periodo sviluppa le tecniche citochimiche per la localizzazione degli acidi nucleici nelle cellule e nell'embrione. Otto Meyerhoff (un futuro premio Nobel) studia il metabolismo muscolare, concentrando l'interesse sulla chimica della stimolazione della fibra muscolare. Nel 1935, Zénon-Marcel Bacq e Francesco Paolo Mazza dimostrano la presenza di acetilcolina nei gangli ottici del polpo (Octopus), e identificano questa sostanza chimicamente. Il contributo di Bacq e Mazza è una pietra miliare nella storia della chimica della trasmissione nervosa, la prima dimostrazione diretta della sua esistenza nei tessuti nervosi. Bacq, un farmacologo belga, in collaborazione con Francesco Ghiretti, utilizza i cefalopodi per sviluppare l'endocrinologia, usando agenti simili all'adrenalina.

La Stazione Zoologica ha favorito un altro importante progresso in neurobiologia, la scoperta di Ernst Scharrer del fenomeno che prenderà il nome di "neurosecrezione", la produzione e la secrezione di ormoni da parte delle cellule nervose. Quella che può essere chiamata l'epoca moderna delle ricerche sui cefalopodi prende inizio a Napoli con le ricerche di Enrico Sereni, che realizza importanti esperimenti sui cromatofori e sulla secrezione ormonale salivare. Sereni lavora anche sul sistema nervoso periferico dei cefalopodi, in collaborazione con il giovane ricercatore inglese John Z. Young, il quale crea un'altra linea di ricerca che diverrà caratteristica della Stazione, perseguita per decenni in modo pressoché ininterrotto.

Lavorando con Sereni sull'Octopus, Young scopre l'assone gigante che diventa lo strumento di elezione per l'esplorazione della conduzione nervosa. Le sezioni del cervello e delle fibre giganti del polpo e della seppia, realizzate da Young alla Stazione a partire dal 1936 mostrano la possibilità di studiare le funzioni nervose superiori, come l'apprendimento e la memoria.

La Stazione, nella Napoli in guerra, resta praticamente chiusa fra il 1943 e il 1945, con un numero molto ridotto di ricercatori e tecnici, ma essa esce praticamente illesa dalla bufera della Seconda Guerra Mondiale. L'Acquario viene riaperto alle truppe alleate già nel dicembre del 1943. La Villa Comunale viene lasciata dalle truppe alleate il primo maggio del 1944 e l'attività della Stazione può ricominciare. La Biblioteca viene ricollocata al suo posto alla fine del 1944. Dopo la liberazione di Roma, il 4 giugno 1944, vengono stabiliti dei contatti con il Ministero della Pubblica Istruzione e con il Consiglio Nazionale delle Ricerche, che sostengono la Stazione in modo consistente. Quest'ultimo vi crea un "Centro per gli studi biologici", posto sotto la direzione di Giuseppe Reverberi, il cui scopo principale è creare delle borse di formazione per giovani biologi. Dopo il 1950 la National Science Foundation, appena creata, la Lilly Endowment e la Rockefeller Foundation aumentano considerabilmente il loro impegno nei confronti della Stazione Zoologica.

Il prestigio scientifico della istituzione e la sua localizzazione nel dopoguerra fa rapidamente della Stazione un luogo privilegiato per la realizzazione di convegni e riunioni scientifiche. Questo permette anche di inserire rapidamente la scienza italiana nel circuito internazionale, in un periodo di rilancio rigoglioso della ricerca biologica. La Stazione ospita importanti convegni su embriologia e genetica, sulla mutagenesi, sulla neurosecrezione. Nel 1951 si tiene un convegno sull'applicazione dei raggi X allo studio dei problemi biologici, in particolare allo studio della struttura submicroscopica del protoplasma. In questa conferenza Wilkins mostra una figura di diffrazione ai raggi X del DNA cristallino e questo stimola J.D. Watson, presente al convegno, ad iniziare il suo lavoro sugli acidi nucleici, che lo porterà con Francis Crick alla scoperta della doppia elica.

La frase "biologia dello sviluppo" diviene popolare alla fine degli anni 1950, quando l'embriologia è in una fase di transizione e l'interesse si sposta dagli organizzatori chimici alle interazioni cellulari e subcellulari, lo scambio di "informazione" fra nucleo e citoplasma e il controllo genetico della morfogenesi. I nuovi sviluppi della Biologia molecolare, soprattutto la proposta da parte di François Jacob e Jacques Monod del modello molecolare di regolazione dell'espressione genica, basata sulla repressione e l'induzione, suggerisce nuove interpretazioni dello sviluppo come un processo di controllo nel tempo della espressione di un programma predeterminato nell'uovo fecondato. La nuova generazione di biologi che opera alla Stazione Zoologica negli anni '50 e '60 si confronta così con nuovi problemi e nuovi procedimenti sperimentali. A. Tyler, T. Hultin e A. Monroy, mostrano che il controllo del programma genetico sembra già, almeno in parte, predeterminato nell'uovo, in quanto i ribosomi su cui si svolge la sintesi proteica si accumulano durante l'oogenesi, ma l'espressione dei messaggeri in essi contenuti è bloccata da particolari proteine, che vengono poi eliminate durante le diverse fasi dello sviluppo embrionale. Questo permette di integrare nel nuovo contesto storico alcune osservazioni realizzate sempre a Napoli da J. Runnström e S.O. Hörstadius, i quali avevano mostrato che l'attivazione dell'uovo al momento della fecondazione produce la comparsa di enzimi proteolitici.

Dopo le pionieristiche ricerche di Otto Loewi (premio Nobel nel 1936) che aveva mostrato che la trasmissione sinaptica è mediata dall'acetilcolina, Bernard Katz e Riccardo Miledi dell'University College di Londra si recano alla Stazione per studiare la relazione fra il calcio e il rilascio dei neuromediatori alla sinapsi. I loro esperimenti divengono classici: grazie all'uso di microelettrodi i due ricercatori scoprono il cosiddetto "potenziale di membrana", mostrando che l'acetilcolina viene liberata in "pacchetti" in quantità molto ridotta quando la sinapsi è a riposo, mentre quando la terminazione sinaptica è stimolata l'emissione aumenta anche di un milione di volte. Il polpo, Octopus, si rivela essere ancora una volta uno straordinario materiale per lo studio dei meccanismi dell'apprendimento e della memoria, grazie anche all'inesauribile disponibilità di animali a Napoli durante tutto l'anno. I pescatori di Posillipo sono capaci di portare sino a 20 o più Octopus in eccellenti condizioni al giorno, e la Stazione mette a disposizione delle vasche speciali, costruite in uno spazio adeguato grazie al finanziamento del British Science Research Council. Questo rende possibile realizzare alla Stazione Zoologica un vasto "servizio dei cefalopodi", costituito di più di duecento vasche nelle quali altrettanti Octopus possono essere mantenuti e osservati individualmente.


Insieme a diversi collaboratori, soprattutto Bryan Boycott, Martin Wells e John Messenger, Young mappa i circuiti neuronali del cervello dell'Octopus e per mezzo di ingegnosi esperimenti esplora le capacità di apprendimento di questi animali e propone nuove interpretazioni dei meccanismi neuronali alla base della memoria.
Sin dalla fondazione, la ricerca botanica era stata una componente importante della vita scientifica della Stazione Zoologica. I primi ospiti dell'istituto erano stati dei ricercatori tedeschi che studiavano le piante marine, dal punto di vista ecologico e sistematico, base per le successive ricerche fisiologiche, citologiche, biochimiche e sui cicli di vita. Dopo un primo periodo come membro del reparto di Botanica marina, a partire dal 1912, Georg Funk realizza diversi periodi di ricerca a Napoli, producendo tre pubblicazioni di fondamentale importanza sulle alghe del Mediterraneo e dando alla ricerca botanica a Napoli una continuità che si estende sino alla fine degli anni ‘50. L'impatto durevole di questo tipo di studi è da ricercare nella loro dimensione ecologica, che è servita come modello anche per altri settori disciplinari. Le monografie di Funk (1927, 1955) con l'approfondita descrizione delle associazioni di alghe, della loro distribuzione, dei cicli riproduttivi rimangono delle pietre miliari per la ricerca sulle alghe del Mediterraneo. Inoltre, le osservazioni di Funk sono servite di base per lo studio quantitativo delle variazioni prodotte nell'ecosistema del golfo di Napoli dallo sviluppo urbanistico ed industriale, che maggiormente influenza le acque vicino alla costa.

All'inizio degli anni ‘50 gli studi botanici riprendono un grande slancio, con nuovi programmi di studio ecologico della distribuzione delle alghe, la loro coltivazione, e soprattutto con le ricerche su vari aspetti del ciclo di vita e delle funzioni biochimiche di Acetabularia.
Con una enfasi ancora più accentuata sull'Ecologia, la Botanica nel decennio 1960-70 inizia a porre nuove questioni scientifiche relative all'ambiente marino. I laboratori di Ecologia bentonica e Oceanografia biologica saranno successivamente creati per sviluppare gli studi ecologici nella loro accezione più larga, che va dalla ricerca sui fattori chimico-fisici all'analisi delle complesse associazioni delle comunità vegetali ed animali dell'ecosistema bentonico.

La Stazione Zoologica non aveva propri programmi di ricerca, a parte quello dello stesso Anton Dohrn, e quindi la sua struttura rifletteva i principali interessi degli scienziati ospiti. Comunque Dohrn riconosceva il significato delle diverse parti della scienza, e il modo in cui essi interagiscono e si completano reciprocamente. In questo modo egli fu capace di creare una struttura perfettamente sintonizzata con i principali problemi scientifici del tempo e di portare a Napoli i migliori ricercatori. L'Embriologia, l'Anatomia comparata, la Sistematica zoologica e Botanica, compresa la Storia naturale, l'Ecologia e lo studio del Comportamento, erano i principali campi di ricerca nei primi decenni di esistenza della Stazione. Fondata in un'epoca di predominio degli studi morfologici, paradossalmente la Stazione Zoologica diviene nel 1880 una delle roccaforti della rivolta contro l'embriologia filogenetica haeckeliana. La nuova generazione di biologi si pone in modo estremamente critico nei confronti della tradizione morfologica e sostiene l'applicazione di un nuovo metodo sperimentale ai problemi dello sviluppo dando così origine ad una nuova era nello studio dello sviluppo embrionale. Le diverse fasi dello sviluppo embrionale non vengono osservate per ottenerne delle evidenze a favore delle deduzioni filogenetiche, non sono uno strumento di spiegazione ma divengono esse stesse dei processi da spiegare, attraverso l'individuazione delle loro cause attuali. Indirizzi sperimentali si fanno strada in altri settori disciplinari, come lo studio della cellula, la teoria dell'eredità, la stessa teoria dell'evoluzione. La funzione sostituisce la forma come obiettivo dell'indagine scientifica e come principio esplicativo. Un oggetto di studio, ovviamente un animale marino, si rivela particolarmente adatto a queste ricerche sperimentali, il riccio di mare. Con questo nuovo strumento e la nuova metodologia sperimentale viene progettato e realizzato nel 1888 il famoso "esperimento di ingiuria". Con un ago sottile ed arroventato, Wilheim Roux distrugge il nucleo di una delle due cellule che si formano dopo la prima segmentazione dell'uovo fecondato: la parte non danneggiata dell'embrione continua nel suo sviluppo normale producendo dei "mezzi embrioni", a dimostrazione che la divisione cellulare è qualitativa ed ognuna delle cellule primarie ha un destino predeterminato, indipendente dalla presenza di altre cellule e dalle fasi successive di sviluppo.

Alcuni anni dopo Jacques Loeb realizza a Napoli la fecondazione artificiale, mostrando che l'uovo di riccio di mare può iniziare lo sviluppo se viene esposto ad un acido od a un aumento della pressione osmotica. Questo esperimento di "partenogenesi chimica" ha un grande impatto sulla comunità scientifica e sull'opinione pubblica. Qualcuno arriva a suggerire alle donne di evitare i bagni di mare, a causa del rischio di partenogenesi chimica.

Nel 1889 il biologo tedesco Theodor Boveri inizia a Napoli i suoi esperimenti di "ibridazione" fra specie diverse di riccio di mare, allo scopo di stabilire se è il nucleo, il protoplasma o entrambi a determinare l'eredità e lo sviluppo. Boveri dimostra il ruolo dominante del nucleo nella trasmissione ereditaria e la diversità genetica dei cromosomi, stabilendo un legame con la teoria mendeliana, che era stata appena riscoperta e proponendo una prima "teoria cromosomica dell'eredità".

Fra il 1908 e il 1914, Otto Warburg trascorre diversi periodi alla Stazione, dove realizza la sua prima ricerca indipendente sul consumo di ossigeno da parte dell'uovo di riccio dopo la fecondazione. Nel 1909 egli scopre che il ferro è essenziale per lo sviluppo dello stato larvale, iniziando così un nuovo programma di ricerca sulla respirazione, che gli varrà il premio Nobel nel 1931 per la scoperta della citocromoossidasi.
Tra il 1866 e il 1945 Thomas Hunt Morgan lavora alla Stazione prima di dedicarsi alla genetica e creare il "Gruppo della Drosophila", dando origine alla teoria cromosomica dell'eredità.